陳永澎， 李凱， 郭雙全， 馮云彪， 程思恩

（中國人民解放軍第5719廠，四川 彭州611930）

0 引 言

美國、歐洲以及我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)建設(shè)計(jì)劃中，均把熱障涂層技術(shù)與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)并列為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片三大關(guān)鍵技術(shù)，其中熱障涂層材料及其制備技術(shù)成為了未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。熱障涂層（Thermal Barrier Coating，TBC）是指涂覆在合金基體表面上，并具有耐高溫、抗腐蝕、高隔熱特性的陶瓷材料；該涂層可大幅提高基體合金抗高溫氧化腐蝕能力、降低合金表面工作溫度，從而增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和穩(wěn)定性[2]。因而該項(xiàng)工作已成為航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和修理的核心技術(shù)，但國外對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖。由于近年來我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)已從簡(jiǎn)單仿制過渡至自主研發(fā)階段，各種核心技術(shù)也運(yùn)用至航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，熱障涂層的應(yīng)用屬于其中一項(xiàng)[3]。

等離子噴涂噴槍是等離子噴涂設(shè)備中關(guān)鍵的但又是極易損壞的零部件之一，其中主要由于噴槍中的陰極和陽極（噴嘴）的損壞率最高，而工藝技術(shù)的開發(fā)創(chuàng)新常常是從新噴槍的研發(fā)開始的[4]。目前有關(guān)等離子噴槍設(shè)計(jì)相關(guān)報(bào)道如：高陽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有變徑陽極噴嘴結(jié)構(gòu)的等離子噴槍，該噴槍采用單一陰極和單一陽極結(jié)構(gòu)，其中陽極內(nèi)徑為6 mm，長(zhǎng)度10 mm，噴嘴為直筒喇叭形，噴涂粉體通過3個(gè)φ1.5 mm 小孔注入噴嘴內(nèi)部，在30 kW功率下，實(shí)現(xiàn)了較低功率下噴涂難熔 YSZ 材料的目的[5]；Sulzer Metco公司生產(chǎn)的超低壓等離子噴涂設(shè)備，該設(shè)備采用了O3CP 大功率等離子噴槍，最高電流達(dá)到2500 A[6-7]。而其它目前商業(yè)上廣泛采用的F4-VB噴槍，在100 Pa 低壓條件下很難使氧化鋯粉末達(dá)到氣化狀態(tài)制備出柱狀晶涂層；而李春旭等[8]設(shè)計(jì)出了最大功率可達(dá)120 kW，焰流速度為3600 m/s的等離子噴涂槍；李常鋒等[9]利用二次噴嘴設(shè)計(jì)出功率可達(dá)100 kW以上的等離子噴涂槍。

由于制備熱障涂層的相關(guān)工藝和設(shè)備受國外公司長(zhǎng)期壟斷，國內(nèi)的相關(guān)研究和報(bào)道甚少，為打破國外技術(shù)壟斷，推進(jìn)我國航空事業(yè)發(fā)展，本文將根據(jù)DVM-TBC熱障涂層制備特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有理論知識(shí)，對(duì)等離子噴槍的易損件（陰極、陽極（噴嘴）、電極柱和絕緣體）進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，期望為高端等離子噴涂設(shè)備的國產(chǎn)化提供理論和實(shí)踐支持。

1 等離子噴槍重要零部件的設(shè)計(jì)與制造

1.1 陽極（噴嘴）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造

1）噴嘴結(jié)構(gòu)的選型。目前常用的陽極（噴嘴）有4種形式[10]，如圖1所示。分別為：圓柱形噴嘴（a）、收斂-擴(kuò)張型噴嘴（b）、Laval噴嘴（c）和階梯噴嘴（d）。首先圓柱形噴嘴無法滿足此次制備DVM-TBC熱障涂層的要求；而Laval噴嘴噴涂效果較好，但是加工比較困難；階梯型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)易而且弧根前移，弧壓升高、加熱效果良好，但是相關(guān)應(yīng)用較少，不穩(wěn)定；收斂-擴(kuò)張型噴嘴易于加工，同時(shí)其具有Laval噴嘴和階梯型噴嘴的出口氣體動(dòng)力學(xué)特性，雖然其會(huì)存在一定的飛粉率，但是仍能滿足此次要求，故選用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 四種典型陽極（噴嘴）示意圖

2）噴嘴通道直徑d。噴嘴通道直徑直接影響了等離子射流的壓縮效果的強(qiáng)弱。通常，孔道直徑d按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：d=I/K；公式中，d為噴嘴通道直徑，I為噴涂時(shí)最大電流，K為系數(shù)，一般取80～100之間?，F(xiàn)已知制備DVM-TBC熱障涂層時(shí)的額定工作電流為500 A，推算通道直徑d=5～6.25 mm[11]；同時(shí)，根據(jù)熱噴涂（焊接）技術(shù)要求，在額定工作電流500 A時(shí)要求通道直徑φ5～7 mm之間。因此，分別選擇制作3種（d1=5 mm、d2=5.5 mm、d3=6 mm）噴嘴。

3）噴嘴通道長(zhǎng)度L。一般等離子噴槍設(shè)計(jì)時(shí)，選區(qū)的壓縮比大于2[12]。但是在此次的課題中，若選用過高的壓縮比，在總的系統(tǒng)功率不變的情況下，會(huì)導(dǎo)致射流流速增加，不利于粉末顆粒的加熱和熔化，進(jìn)而影響制備涂層的質(zhì)量。故本次選擇壓縮孔道比為2～3。

4）噴嘴壓縮角α1。壓縮角的選擇與電弧壓縮性能、陰極的尺寸形狀等因素有關(guān)，在等離子噴槍設(shè)計(jì)過程中，一般選擇壓縮角在30～60°之間[10]。綜合考慮，本次設(shè)計(jì)的噴槍壓縮角為45°。

5）擴(kuò)張錐角α2。擴(kuò)張錐角的選擇與沉積效率有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究[13]，當(dāng)擴(kuò)張錐角較小時(shí)，圓柱形噴嘴類似噴涂沉積效果不明顯；當(dāng)擴(kuò)張錐角較大時(shí)，會(huì)存在等離子射流在噴管內(nèi)壁摩擦，流體在內(nèi)壁分流產(chǎn)生回流和循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)致噴涂粉末飛粉嚴(yán)重或者粉末粘貼于孔道內(nèi)壁，同樣使其噴涂沉積效果不明顯。因此本次選用擴(kuò)張錐角為10°。

通過以上計(jì)算和分析，新設(shè)計(jì)噴嘴圖樣和實(shí)物如圖2所示。

圖2 新收斂-擴(kuò)張噴嘴結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

1.2 陰極的設(shè)計(jì)與制造

1）陰極材料的選擇。作為噴槍引弧和長(zhǎng)時(shí)間承受高熱量的關(guān)鍵部件，其材料應(yīng)具備電子發(fā)射能力強(qiáng)和高熔點(diǎn)的特性。目前主流的噴槍設(shè)計(jì)制造公司在無特殊要求的情況下，均選用鈰鎢合金（一般是在鎢中加入1%～2%鈰）作為陰極的材料。鈰鎢合金存在以下優(yōu)點(diǎn)：a.相對(duì)鎢釷合金，在工作時(shí)其不存在放射性污染的情況；b.它具有高的高溫強(qiáng)度、再結(jié)晶溫度和強(qiáng)的熱電子發(fā)射性能。在TIG焊、等離子切割中均頻繁使用[15]。同時(shí)為了滿足直接冷卻的需求，主流做法是將鈰鎢合金釬焊于紫銅座中。故陰極材料分為銅座和鈰鎢合金兩部分。

2）陰極幾何形狀和尺寸。為了跟陽極進(jìn)行匹配，陰極的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成為圓柱形。1）中已提過，陰極一般分為兩部分：鈰鎢合金部分和匹配銅座部分。對(duì)于鈰鎢合金部分直徑尺寸，我們一般根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：D=I/65；式中，I為工作時(shí)最大電流。已知工作時(shí)電流為500 A，推算鈰鎢合金部分直徑尺寸為7.69 mm[16]。同時(shí)，由于直徑越大通過其的電流密度越小，電極溫度將會(huì)越低，可提高陰極使用壽命，此次選用9 mm。尖端為了方便引弧穩(wěn)弧、且與噴嘴的壓縮角的配合，其尖端應(yīng)設(shè)計(jì)為錐形。通過以上計(jì)算和分析，最終陰極圖樣和實(shí)物如圖3所示。

圖3 陰極結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

1.3 絕緣件的設(shè)計(jì)與制造

為了防止電弧擊穿槍體，等離子噴槍的陰、陽極之間必選嚴(yán)格絕緣。雖然噴槍在正常工作情況下兩極間工作電壓較小，但在引弧的瞬間，電極間的瞬間電壓達(dá)到千伏以上。由于在熱障涂層的研發(fā)階段，各項(xiàng)參數(shù)值都在調(diào)試，易導(dǎo)致操作不當(dāng)，噴槍損壞，因而絕緣件也是易損件之一。

1）絕緣材料選擇。由于原9M噴槍在設(shè)計(jì)時(shí)，絕緣件起到絕緣、支撐電極柱和引導(dǎo)冷卻水的作用。因此對(duì)絕緣體材料的強(qiáng)度和剛度有較高要求。目前市場(chǎng)上常見的絕緣材料有玻璃絲膠木、電木、夾布膠木、聚四氟乙烯、陶瓷、聚酰亞胺等。其中夾布膠木、電木易于加工，但高溫環(huán)境下容易碳化；聚四氟乙烯和玻璃絲膠木剛性較差，機(jī)加工能力較差。而聚酰亞胺在具有良好的絕緣性的同時(shí)仍具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，保證其較好的加工特性。聚酰亞胺介電常數(shù)為2.5～3.4左右，介電強(qiáng)度為100～300 kV/mm；彎曲強(qiáng)度σb≥170 MPa[17]。綜上各種因素考慮，最終選擇聚酰亞胺作為絕緣件的材料。

2）絕緣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為支撐電極柱和引導(dǎo)冷卻水絕緣件，同時(shí)為了保證陰、陽極之間同軸度，其結(jié)構(gòu)尺寸與水道頭和電極柱密切相關(guān)。為了便于更換,水、氣通道分明，在原9M設(shè)計(jì)中將絕緣件設(shè)計(jì)為兩部分。本次設(shè)計(jì)中依舊采用該方法，絕緣件結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖4所示。

圖4 絕緣件結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

2 陰、陽極間隙的校核

等離子噴槍點(diǎn)火起弧方式為非接觸式起弧，故陰、陽極之間的間隙與相應(yīng)電源、氣體種類、流量是否匹配，對(duì)于其能否正常起弧起到重要的作用。如果間隙過大，則會(huì)導(dǎo)致“有電壓，無電流”的現(xiàn)象；若其間隙過小，則會(huì)導(dǎo)致兩極“短路”現(xiàn)象；同時(shí)，陰極和陽極之間的間隙對(duì)電弧的伏安特性也有較大的影響，其不但能影響噴涂時(shí)的電壓值，而且影響上升伏安特性的最小電流值。此外，陰極與噴嘴之間的相對(duì)形位公差要求較高，具體包括同軸度要求和間隙要求，以保證氣穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，從而穩(wěn)定電弧，減緩陰極和陽極噴嘴的燒損，延長(zhǎng)壽命。

本文通過UG軟件測(cè)量裝配間隙，裝配后目前該間隙值D=0.67 mm。 現(xiàn)對(duì)于兩極之間的厚度D進(jìn)行校核。在等離子噴槍在引弧之前，其兩極之間充滿了Ar或者N2。氣體在兩極之間為湍流和層流兩種形態(tài)。在這兩種形態(tài)下對(duì)于擊穿距離δ*估算時(shí)，假設(shè)為全部擊穿電壓加載冷氣流薄層上，該薄層的厚度情況通常取決于氣體的流動(dòng)狀況。在這樣的前提下可通過如下公式確定擊穿距離δ*[18]。

式中：U*為擊穿電壓；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣密度；ρ為氣體密度；δ*為擊穿距離。

現(xiàn)已通過測(cè)量廠內(nèi)所存在的性能類似的噴涂設(shè)備（SULZER-METCO-9M）的引弧電壓得知：由設(shè)備電源的高頻振蕩器在等離子噴槍引弧是所產(chǎn)生的電壓約為2000～10 000 V。通過類比計(jì)算，目前設(shè)計(jì)的噴槍間隙符合起弧要求。而對(duì)于其間隙對(duì)于電弧伏安特性的影響，將在間隙符合要求的范圍，盡可能多地做類比實(shí)驗(yàn)，選擇滿足此次涂層制備的最優(yōu)間隙值。

3 噴槍裝配

將設(shè)計(jì)制作完成的噴槍按照要求進(jìn)行裝配：在水道頭內(nèi)圈裝配密封圈，端面裝配隔流環(huán)（安裝時(shí)必須注意隔流環(huán)與水道頭的相對(duì)位置）；在電極柱外表面裝配密封圈，內(nèi)孔按照?qǐng)D6裝配導(dǎo)流管及定位銷釘；在陰極表面裝配密封圈，利用電極螺母將陰極固定于電極柱；組合裝配前絕緣件并在其表面裝配密封圈；將電極柱按照與前絕緣件相對(duì)的位置進(jìn)行安裝，利用絕緣螺母進(jìn)行鎖緊；按照相對(duì)位置將已裝配完成的電極柱和前絕緣件組件裝入水道頭，此時(shí)要注意水道頭內(nèi)部O形圈的有效性；最后安裝噴嘴，并利用噴嘴螺母進(jìn)行鎖緊。噴槍裝配零部件如圖5所示。

圖5 噴槍裝配三維爆炸圖

4 結(jié) 語

本文通過分析制備熱障涂層的特點(diǎn)，首先根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)文件確定了關(guān)鍵部件噴嘴的選型，設(shè)計(jì)了噴嘴通道直徑、長(zhǎng)度、壓縮角、水冷卻通道的幾何參數(shù)；然后確定了陰極和絕緣體材料和尺寸；其次根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行三維建模，通過相關(guān)軟件測(cè)量出陰極陽極之間的裝配間隙，并根據(jù)相關(guān)理論公式，對(duì)間隙進(jìn)行校核；最后根據(jù)所給定的尺寸參數(shù)，制造出噴槍實(shí)物，為下一步進(jìn)口噴涂設(shè)備國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。